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玉米秸秆细胞壁界面抗降解屏障解析及细胞壁伸展蛋白挖掘

批准号:
22068028
项目类别:
地区科学基金项目
资助金额:
40.0 万元
负责人:
李冠华
依托单位:
学科分类:
生物质转化与轻工制造
结题年份:
2024
批准年份:
2020
项目状态:
已结题
项目参与者:
李冠华

项目摘要

结项摘要

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中文摘要
纤维素是地球上最丰富的可再生资源,转化制备乙醇是纤维素利用的重要途径,受到各国的共同关注。纤维素酶促水解效率低是制约纤维素乙醇发展的关键难题,剖析抑制纤维素酶解的关键因子,提高酶解效率,是该领域的重要基础科学问题。基于实验室建立的细胞壁研究方法,项目以玉米秸秆细胞壁为研究对象,采用多种先进分析方法,从宏观形态、显微结构、超微结构、分子、基团、元素和化学键水平,全维度地分析细胞壁界面化学组成、组分分布、物理性质及形态结构变化对纤维素酶吸附及酶解效率的影响,提出细胞壁界面抗降解屏障理论;挖掘细胞壁内源伸展蛋白,阐明其对细胞壁界面的作用机制,建立协同酶解工艺。项目充分借鉴纤维素化学、界面化学、生物化学、细胞壁生物学和分子生物学的思路与方法,研究策略和手段独特。项目的实施将有助于深层次认知玉米秸秆抗降解屏障,丰富纤维素酶促水解理论,提高纤维素酶解效率,为玉米秸秆高值化利用提供重要的理论与技术支持。
英文摘要
Cellulose is deemed as the most abundant and renewable resource on the earth. At present, many countries across the globe have issued related bills to direct the development of domestic cellulosic ethanol industry. Compared with the traditional starch or sugar based ethanol production process, the low efficiency in saccharification of cellulose by enzymatic hydrolysis is the main barrier in industrialization of cellulosic ethanol. Acquiring insight into various recalcitrant factors and enhancing enzymatic hydrolysis efficiency are still the vital scientific problems in the cellulosic ethanol industry. In this project, multi-scale advanced analytical methods will be selected to analyze the influence of composition, chemical distribution, morphology, and physical structure of the cell wall on the cellulase adsorption and enzymatic hydrolysis, in the aspects of macrostructure, microstructure, ultra-structure, molecule, chemical group, chemical element, and chemical bonds level. Furthermore, the endogenous swollenin of corn straw will be purified. And the synergistic effects between swollenin and cellulase on interface of cell wall will be clarified. Finally, the theory of interfacial recalcitrant barrier of cell wall will be put forward. The project relates to the interface chemistry, cellulose chemistry, biochemistry, cell wall biology and molecular biology. The research idea, strategy, and analytical methods are novel and unique. The results of this project will be beneficial to understand the recalcitrant barrier deeply, enrich the theory of enzymatic hydrolysis, and enhance enzymatic hydrolysis efficiency, which will lay the theoretical and technical basis for the high-valued utilization of corn straw.
项目以玉米秸秆细胞壁为研究对象,采用了多种先进分析技术,全维度地考察了细胞壁界面化学组成、组分分布、物理性质及形态结构变化对纤维素酶吸附及酶解效率的影响,提出细胞壁界面抗降解屏障理论;挖掘细胞壁内源伸展蛋白,阐明其对细胞壁界面的作用机制,建立协同酶解工艺。主要研究结论如下。. (1)玉米秸秆表现出高度异质性,异质性决定了酶解过程;并提出了细胞壁界面抗降解屏障的想法,认为细胞壁界面结构决定了酶与底物的吸附,这种有效吸附决定了整个酶促水解反应效率。(2)比较了不同发育时期玉米秸秆样品化学组成、物理性质及酶解还原糖得率,分析三者间相关性,明确关键顽抗因子。结晶度、聚合度、木质素和半纤维素含量显著影响纤维素酶解还原糖得率,其中,结晶度影响最大;细胞壁聚糖对纤维素酶解均有抑制作用,Xylan-2是茎皮、茎髓最重要的抑制因子;而茎髓还受到Xylan-3和Xylan-4抑制。(3)在毕赤酵母中成功异源表达玉米扩张素蛋白9个。扩张素蛋白-纤维素酶协同酶促水解反应的最优条件为:固液比1:20,扩张素蛋白20 mg/g,40℃催化12 h;纤维素酶用量7 U/g,50℃催化24 h;酶解还原糖得率提高149%,酶解总时间减少25%。(4)挖掘对纤维素酶解反应有促进作用的甜菜果胶。果胶多糖分子量82.12 kDa,由Ara、Rha、Gal、Glc和GalA组成。 添加量为80 mg/g时,纤维素酶滤纸活力提高28.89%;以稻草为底物,CSP-A2添加量80 mg/g,酶解反应48 h,当纤维素酶用量为20 FPU/g和5 FPU/g时,还原糖得率分别提高39.41%和46.49%。(5)在此基础上,进一步将细胞壁抗降解屏障理论应用于中药破壁。建立了黄芪汽爆前处理工艺,最佳条件时,醇溶性和水溶性黄酮提取量分别提高6.43和1.48倍。 . 该项目丰富了纤维素酶促水解理论,为玉米秸秆高值化利用提供重要的理论基础与技术储备。.
微纤丝酶促水解界面顽抗因子解析及玉米伸展蛋白定向进化
  • 批准号:
    22568031
  • 项目类别:
    地区科学基金项目
  • 资助金额:
    32.00万元
  • 批准年份:
    2025
  • 负责人:
    李冠华
  • 依托单位:
液氨解构甜菜渣细胞壁及促进纤维素高效酶解的机制研究
  • 批准号:
    21868018
  • 项目类别:
    地区科学基金项目
  • 资助金额:
    40.0万元
  • 批准年份:
    2018
  • 负责人:
    李冠华
  • 依托单位:
国内基金
海外基金